一種新型端板式裝配梁柱連接節(jié)點(diǎn)受力性能分析

陽 旭,張秋實(shí)

(1.中鐵二十三局集團(tuán)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川成都 610031;2.西華大學(xué),四川成都 610031)

1 端板式裝配梁柱節(jié)點(diǎn)

梁柱連接節(jié)點(diǎn)是裝配式結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部位，節(jié)點(diǎn)連接的優(yōu)劣將直接影響結(jié)構(gòu)承載力和整體穩(wěn)定性。節(jié)點(diǎn)連接方式通常分為干式連接和濕式連接[1]，與濕式連接相比干式連接省去安裝拆除模板和澆筑養(yǎng)護(hù)混凝土等工序，施工過程標(biāo)準(zhǔn)化，工藝簡(jiǎn)便，具有良好的時(shí)效性[2]。

端板式裝配梁柱連接節(jié)點(diǎn)即為一種干式連接，是由型鋼、鋼筋籠和混凝土、螺栓四者共同組成整體受力的一種節(jié)點(diǎn)形式，其受力過程為梁端剪力、彎矩通過鋼筋與梁內(nèi)型鋼，通過連接螺栓傳至柱內(nèi)，為一種半剛性連接節(jié)點(diǎn)。與傳統(tǒng)鋼筋混凝土現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)相比，具有承載能力強(qiáng)、抗震性能好、裝配快速方便等特點(diǎn)；與鋼結(jié)構(gòu)相比，具有耐久性、耐火性、發(fā)揮鋼材延展性等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。

本文根據(jù)當(dāng)前裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合端板連接初始剛度理論和材料本構(gòu)關(guān)系，采用有限元軟件ABAQUS對(duì)其進(jìn)行非線性承載能力分析。

2 初始剛度

梁柱連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)除應(yīng)能承受彎矩和剪力的強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性要求外，還應(yīng)考慮連接節(jié)點(diǎn)在梁端彎矩作用下的轉(zhuǎn)角處于線彈性范圍內(nèi)時(shí)節(jié)點(diǎn)所具有的初始剛度的影響。傳統(tǒng)的鋼框架分析和設(shè)計(jì)時(shí)將節(jié)點(diǎn)假定為完全剛接或完全鉸接，對(duì)于端板螺栓連接的初始剛度，張建明[5]采用組件法推導(dǎo)了計(jì)算方法。

新型端板式裝配梁柱連接節(jié)點(diǎn)的初始剛度應(yīng)由受拉組件剛度和受壓組件剛度組成[6]。受拉構(gòu)件的整體剛度Kt由混凝土柱內(nèi)螺栓、端板、型鋼腹板等受拉構(gòu)件共同組成；受壓構(gòu)件的整體剛度由混凝土柱內(nèi)型鋼腹板抗壓剛度Kcwc和柱中鋼腹板的抗剪剛度Kcwv組成。由Kt、Kcwc、Kcwv即可得到改端板式連接節(jié)點(diǎn)的整體剛度K。其中Kt、Kcwc、Kcwv分別滿足下式要求：

柱腹板受壓剛度Kcwc為：

(1)

beff.cw=tbf+4te

(2)

式中：E為節(jié)點(diǎn)鋼材彈性模量；tcw為混凝土柱內(nèi)型鋼腹板厚度；tbf為混凝土梁內(nèi)型鋼翼緣厚度；te為端板厚度；beff.cw為考慮混凝土梁內(nèi)型鋼翼緣壓力按45°擴(kuò)散；dcw為混凝土柱內(nèi)型鋼腹板凈高。

柱腹板受剪剛度Kcwv為：

(3)

式中：E為節(jié)點(diǎn)鋼材彈性模量；Avc為混凝土柱內(nèi)型鋼腹板截面面積；h0為混凝土梁內(nèi)型鋼腹板凈高；β為與連接受剪邊數(shù)有關(guān)的參數(shù)，其取值參考文獻(xiàn)。

柱腹板受拉剛度Kcwt為：

(4)

式中：beff.cw為考慮混凝土柱內(nèi)型腹板受拉時(shí)的有效寬度。

柱端板的受彎剛度Kep為:

(5)

由式(4)、式(5)可得到受拉組件整體剛度Kt為：

(6)

由式(1)、式(3)、式(6)可得到節(jié)點(diǎn)的整體初始剛度K為：

(7)

3 有限元模型的建立

3.1 材料本構(gòu)關(guān)系及參數(shù)設(shè)置

本文選取框架連接節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，共設(shè)計(jì)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)模型(圖1)。模型1為新型端板式裝配梁柱連接節(jié)點(diǎn)，模型2為具有相同尺寸、材料、約束方式和邊界條件的傳統(tǒng)現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)。

圖1 梁柱節(jié)點(diǎn)連接

新型端板式裝配梁柱連接節(jié)點(diǎn)柱截面尺寸為800 mm×800 mm；梁截面尺寸為300 mm×700 mm；連接螺栓為24根M24 10.9S高強(qiáng)螺栓；節(jié)點(diǎn)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，混凝土梁、柱內(nèi)縱筋采用HRB400，箍筋采用HPB300；柱內(nèi)設(shè)“井”字型鋼，型鋼由腹板為20 mm和端板為30 mm焊接而成；梁內(nèi)設(shè)“工”字型鋼，型鋼均為20 mm厚鋼板焊接而成；型鋼材料強(qiáng)度等均為Q345。鋼材及混凝土基本參數(shù)如表1、表2所示，端板式梁柱連接節(jié)點(diǎn)如圖2所示。

表1 混凝土材料參數(shù)

表2 鋼材參數(shù)

圖2 端板式梁柱連接節(jié)點(diǎn)

本文混凝土采用損傷塑性模型[6]計(jì)算，本構(gòu)關(guān)系是基于GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]中附錄C所求出應(yīng)力應(yīng)變曲線所得。

受拉：

σ=(1-dt)Ecε

(8)

(9)

受壓：

σ=(1-dt)Ecε

(10)

(11)

鋼材本構(gòu)關(guān)系考慮屈服后材料硬化所以采用雙折線模型(圖3)。

圖3 鋼材應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

3.2 單元的選取及接觸關(guān)系處理

本文混凝土與型鋼采用六面體三維八節(jié)點(diǎn)線性減縮積分單元C3D8R[8-9],縱筋與箍筋采用三維二節(jié)點(diǎn)桁架單元T3D2?？v筋與箍筋組成鋼筋籠，將型鋼與鋼筋籠組成的鋼骨架嵌入混凝土內(nèi)部。由于混凝土與型鋼以及混凝土與鋼筋籠之間的相對(duì)滑移較小，因此本文忽略三者間相對(duì)滑移量。螺桿與螺帽和鋼板孔壁設(shè)定綁定約束，柱體內(nèi)部螺桿設(shè)定嵌入約束。螺帽側(cè)面與承壓鋼板以及柱承壓鋼板與梁承壓鋼板三者之間采用面與面接觸，其中接觸屬性切向行為定義“罰”公式，摩擦系數(shù)取0.2，法向定義硬接觸。

3.3 網(wǎng)格劃分與邊界設(shè)置

關(guān)鍵詞有限元計(jì)算中網(wǎng)格劃分質(zhì)量對(duì)計(jì)算速度和精度有重要影響[10][11]，本文采用六面體網(wǎng)格，其中梁混凝土單元取100 mm,柱混凝土單元取200 mm。工字型鋼單元取30 mm,承壓鋼板取20 mm,且在孔洞周圍相應(yīng)減小單元長(zhǎng)度。螺桿單取30 mm，螺帽單元取3.4 mm，鋼筋籠單元取25 mm。

為最大程度模擬現(xiàn)實(shí)梁柱受荷情況，設(shè)置邊界條件時(shí)首先將柱底完全固定，其次選取柱頂截面中心點(diǎn)作為參考點(diǎn)rp1。為避免應(yīng)力集中，將參考點(diǎn)rp1耦合至柱頂截面，并沿z軸負(fù)方向施加軸壓比為0.2的壓力[12][13]。同理，梁左右兩端截面中心點(diǎn)設(shè)為參考點(diǎn)rp2、rp3，將rp2、rp3分別耦合至梁端對(duì)應(yīng)截面，在梁端施加沿x、y方向轉(zhuǎn)角位移約束，并在rp1、rp2上施加沿z軸負(fù)方向位移荷載。荷載過程分為兩個(gè)分析步；第一步控制柱底約束，第二步在柱頂施加軸力與梁兩端截面處施加位移荷載。由于本裝配梁柱連接節(jié)點(diǎn)螺栓接觸關(guān)系多且材料受力變形機(jī)理復(fù)雜，為避免計(jì)算結(jié)果不收斂，本文采用顯示動(dòng)態(tài)分析計(jì)算。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 應(yīng)力云圖對(duì)比分析

(1)采用ABAQUS軟件建模，并模擬對(duì)梁端施加10 mm、20 mm、40 mm、60 mm、80 mm五級(jí)位移荷載，整理各構(gòu)件應(yīng)力變化如表3所示。由表3可知在各級(jí)荷載作用下混凝土梁的受壓區(qū)逐漸加大，最大壓應(yīng)力變化不大，且未屈服；混凝土柱在各級(jí)荷載作用下壓應(yīng)力逐漸增加；柱內(nèi)型鋼主要起連接作用，應(yīng)力較?。宦菟ê土簝?nèi)型鋼在各級(jí)荷載作用下應(yīng)力均處于彈性階段，變化范圍不大；在位移加載40 mm時(shí)，梁柱節(jié)點(diǎn)處混凝土梁產(chǎn)生細(xì)微的受拉裂縫。部件應(yīng)力分布結(jié)果如圖4所示。

表3 端板式構(gòu)件應(yīng)力變化 MPa

圖4 80 mm位移荷載作用下各構(gòu)件應(yīng)力云圖

分析圖4可知，對(duì)于裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接處應(yīng)力變化較大，節(jié)點(diǎn)上部以鋼材受拉為主，下部以混凝土受壓為主，有限元模擬應(yīng)力變化與經(jīng)驗(yàn)結(jié)論吻合。由圖4(a)、圖4(b)可知混凝土梁受壓應(yīng)力較大，混凝土柱應(yīng)力變化相對(duì)較小。由圖4 (c)、圖4(d)可知螺栓應(yīng)力較大，在各級(jí)荷載作用下受拉范圍由上至下逐步加大。螺栓應(yīng)力主要分布在螺桿與承壓鋼板孔相交處應(yīng)力最大；梁端承壓鋼板應(yīng)力變化較大，變化云圖如圖5所示；對(duì)比現(xiàn)澆梁柱結(jié)構(gòu)在位移荷載作用下應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖5 不同荷載下梁內(nèi)型鋼應(yīng)力變化云圖

圖6 現(xiàn)澆梁柱節(jié)點(diǎn)在各級(jí)荷載作用下應(yīng)力云圖

分析圖5可知，型鋼變化范圍沿梁上翼緣呈“心”形擴(kuò)散。最大應(yīng)力出現(xiàn)在受拉區(qū)與螺栓接觸部位。由圖6可知，現(xiàn)澆梁柱節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力主要表現(xiàn)為梁上部受拉、下部受壓，且下部節(jié)點(diǎn)承受壓應(yīng)力擴(kuò)散趨勢(shì)大于上部節(jié)點(diǎn)；當(dāng)梁荷載逐漸增大時(shí)，柱內(nèi)應(yīng)力增大明顯。

4.2 承載能力分析

通過在梁端施加五級(jí)位移荷載，獲得單調(diào)位移荷載作用下裝配式與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)承載能力值如表4所示，并繪制位移-荷載曲線見圖7。

由圖7數(shù)據(jù)可知，當(dāng)梁端位移加載至8 mm前，現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)斜率K1大于裝配式節(jié)點(diǎn)K2(即K1>K2)，此時(shí)裝配式節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)均處于彈性階段，現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)在位移荷載作用下，反應(yīng)出承載能力較大，裝配式節(jié)點(diǎn)承載能力較小，主要是因?yàn)檠b配式節(jié)點(diǎn)鋼板與鋼板、螺栓與鋼板在小位移荷載作用下，有一個(gè)接觸過程。當(dāng)位移荷載加至8 mm以上時(shí)，裝配式節(jié)點(diǎn)在荷載作用下接觸面緊密，剛度較大，節(jié)點(diǎn)承載能加較大。

表4 節(jié)點(diǎn)承載力對(duì)比 kN

圖7 位移荷載曲線

5 結(jié)論

本文基于傳統(tǒng)裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接特征，提出一種新型端板式裝配梁柱連接節(jié)點(diǎn)，利用有限元軟件在5級(jí)位移荷載下進(jìn)行有限元分析，并與傳統(tǒng)現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)對(duì)比分析，以驗(yàn)證新型端板式梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的合理性，了解本新型端板式梁柱連接節(jié)點(diǎn)的受力性能和承載能力，有限元分析結(jié)構(gòu)表明：

(1)新型端板式裝配梁柱連接節(jié)點(diǎn)與傳統(tǒng)現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)，兩種節(jié)點(diǎn)荷載—位移曲線發(fā)展規(guī)律基本一致。新型結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)承載能力高于傳統(tǒng)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，提高約50 %。承載力提高程度與端板的厚度和螺栓直徑有關(guān)，證明新型端板式裝配梁柱連接節(jié)點(diǎn)具有一定的承載力，滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”的概念設(shè)計(jì)要求。

(2)梁在負(fù)彎矩作用下，梁上型鋼端板應(yīng)變變化范圍較大，在梁端上部應(yīng)力最大，并由上至下、由腹板向端部逐漸減弱；應(yīng)力應(yīng)變分布狀況與經(jīng)驗(yàn)結(jié)論吻合。

(3)本文所設(shè)計(jì)的新型端板式裝配梁柱連接節(jié)點(diǎn)，施工工藝簡(jiǎn)便、工期短、承載能力高；與此同時(shí)，本文未考慮地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，以及忽略混凝土與型鋼粘結(jié)作用，具有進(jìn)一步研究?jī)r(jià)值。